Studio teorico sperimentale di attuatori elettrofluidici bifasici miniaturizzati per applicazioni biomediche

Un dispositivo meccanico per uso biomedico necessita di attuatori in grado di convertire potenza elettrica in ingresso in potenza meccanica in uscita, rispettando vincoli quali: biocompatibilità, efficienza, affidabilità. L'insieme delle possibili tipologie di attuatori richiesti in Ingegneria Biomedica è troppo ampio per essere preso in considerazione "in toto". Per questa ragione, il presente lavoro di tesi avrà come target di applicazione il settore dell'Endoscopia e della Chirurgia Minimamente Invasiva. Questi due settori, infatti, sono oggetto di notevole interesse dal momento che mirano a potenziare l'abilità diagnostica e terapeutica del medico riducendo, al tempo stesso, i disagi sopportati dal paziente. Il trend attuale è orientato alla progressiva miniaturizzazione dei dispositivi biomedici e al contemporaneo incremento delle funzionalità degli strumenti. Quest'ultimo aspetto pone delle sfide tecnologiche significative, dal momento che richiede la messa a punto di sensori e attuatori integrati in dispositivi biomeccatronici miniaturizzati, in grado di offrire affidabilità, sicurezza e bassi consumi energetici. L'ovvia idea di miniaturizzare dispositivi tradizionali -sensori ed attuatori- non è sempre percorribile, per via delle leggi di scala delle forze fisiche, e sicuramente, ove lo sia, non è necessariamente l'approccio ottimale. Viceversa, principi di attuazione e sensing, inefficaci su scale macro, possono diventare molto efficaci quando vengano implementate in dispositivi miniaturizzati. Partendo da questi presupposti, lo scopo della presente tesi è quello di studiare, teoricamente e sperimentalmente, moduli di attuazione miniaturizzati per applicazioni biomediche, con riferimento particolare al settore dell'endocopia e della chirurgia minimamente invasiva. In particolare, si vuole valutare, per via teorica e sperimentale, in quale misura l'attuazione elettrochimica, lenta ed inefficace su scale ordinarie (ovvero dell'ordine delle decine di centimetri) possa rappresentare un possibile sistema per realizzare attuatori biomedici miniaturizzati. E' noto dalla Letteratura che gli attuatori, in cui l'energia elettrica genera una nuova fase all'interno di un fluido per via termica od elettrochimica, raggiungono buoni valori di strain e stress. Tuttavia, esistono fenomeni che limitano i tempi di risposta. In aggiunta, la generazione di una seconda fase fluida -tipicamente gassosa- in seno al liquido, produce la pressurizzazione della camera di contenimento e la sua conseguente deformazione. E' ovvio che le prestazioni dell'attuatore sono fortemente influenzate dalla geometria della camera espandibile e dalla scelta dei materiali. Infatti, un'eccessiva cedevolezza della camera, positiva dal punto di vista degli spostamenti in uscita, può ridurre, in modo indesiderato, la rigidezza dell'attuatore. Scopo della tesi è di disegnare un attuatore elettrofuidico ottimizzato in termini degli spostamenti desiderati, partendo dall'analisi dei meccanismi elettrochimici rilevanti. Lo studio teorico, in cui si terrà anche conto delle leggi di scalatura più significative, ovvero di come cambiano le prestazioni tipiche dell'attuatore riducendo la sua dimensione caratteristica, sarà seguito dalla realizzazione di un prototipo, con lo scopo di validare sperimentalmente i modelli seguiti nel corso della progettazione. Il modulo di attuazione avrà un ingombro massimo di 20x20x20 [mm^3], sarà in grado di fornire una rotazione in uscita di 30° con un assorbimento di corrente inferiore a 30 [mW]. La rigidezza dell'attuatore, nella configurazione di massima deflessione, dovrà essere non inferiore a 10^{-4} [Nm/rad]. I materiali impiegati dovranno essere compatibili con le specifiche per endoscopia